基于MCD12Q2的秦岭植被物候时空变化及对气候的响应

李登科，王钊

陕西省农业遥感与经济作物气象服务中心，陕西 西安 710016

植被物候是植被群落受气候变化和其他环境因素的影响而以年为周期重复出现的生物学现象（孔冬冬等，2017），它可以直接反映环境条件的年际和季节变化，既可以有效地表达植物生长发育的季节特征，又能直观地表达植物群落、物种的生理和形态特征（Chen et al.，2005；Morisette et al.，2009）。全球气候变化引起的植被物候变化直接影响着陆地碳、养分的动态平衡和生物多样性格局，并向气候系统反馈（Wang et al.，2017）。

传统的物候观测方法采用野外目视观测法（崔耀平等，2018；王力等，2018），是针对某一个或多个物种进行的单株、定点观测，虽然具有客观和准确的特点但难以进行大尺度的物候时空分析（陈效逑等，2009）。遥感植被物候基于卫星遥感植被指数时间序列的变化曲线计算而得到的区域植被物候，主要是生长季始期和末期（左璐等，2018；周玉科，2019）。NOAA NDVI、SPOT VEGETATION 和MODIS NDVI等植被遥感产品的发布，提供了多时相、覆盖范围广、空间连续、时间序列长的基础数据，在不同的时间和空间尺度上能够定量反映植物的季节生长和发育及其年际间的年际变化特征，为地面定点观测提供补充和支持，使物候观测对象从植株个体提升到植被生态系统层面，实现了点到面的空间转换（White et al.，1997；Jan et al.，2010；李晓东等，2017）。

越来越多的学者基于不同遥感数据源深入研究植被物候变化。研究结果表明，北半球荒漠草原过渡带在 1998年之前植被物候期变化地区间差异较大，而在1998—2012年之后生长季开始期推后、生长季结束期提前，植被生长季长度明显缩短（候静等，2017）。1982—1999年中国温带植被春季物候提前，秋季物候推迟，生长季延长（Piao et al.，2006）。1982—2015年青藏高原高寒草地植被物候返青期和枯黄期的年际变化整体上呈提前的趋势，生长季长度呈增长趋势（马晓芳等，2016；黄文洁等，2019）。1982—2006年东北地区植被春季物候都表现出先提前后推迟的现象，秋季物候的变化则比较复杂，植被春季植被物候主要受温度影响，秋季物候主要受降水控制（俎佳星等，2016）；但在2001—2010年，东北地区森林植被的生长季始期和末期均没有明显变化（侯学会等，2014）。1999—2010年，西北植被物候东部始期提前，末期推迟，生长季变长；西部物候变化特征则与东部相反（杨光等，2015）。黄土高原1982—2011年间春季物候显著提前、秋季物候显著推迟，植被物候主要受气温影响，降雨的变化也会对物候产生一定影响（谢宝妮等，2015；赵珍等，2015；仝莉棉等，2016）。内蒙古地区 1982—2013年物候变化主要特征是生长季开始呈提前趋势，结束呈延后趋势，生长季长度呈延长趋势（包刚等，2017；黄文琳等，2019；郭剑等，2017；王静璞等，2015；范德芹等，2016a）。由以上研究可以看出，植被物候变化区域性差异较大，同一地区不同时段变化趋势不同，主导变化的气候因子也各不相同。因此精确研究区域尺度物候变化及其对气候变化的响应对于理解陆地生态系统内部碳循环和气候-生物圈的相互作用有着深远意义。

秦岭山脉位于中纬度地区，是中国南北自然环境的分界线，也是中国湿润与半湿润气候、暖温带和亚热带的生态过渡带。秦岭作为中国具有独特意义的地域单元，生态敏感而脆弱。对秦岭地区的物候变化已有一些研究，邓晨晖等（2017）分析了1964—2015年17种包含乔木、灌木及藤本树种的物候观测数据，结果表明，52 a来秦岭地区物候始期普遍呈提前趋势，物候末期普遍呈推迟趋势，物候生长期普遍延长。夏浩铭等（2015）、马新萍等（2015）的研究时段都是2001—2010年，郭少壮等（2019）的研究时段是2000—2015年，但只提取了秦岭太白红杉林的物候参数，这些研究或时段较早或只涉及特定植被。本文基于2001—2016年500 m分辨率的MCD12Q2数据，提取秦岭地区植被物候期，包括生长季始期（Greenup）、生长季末期（Dormancy）和生长期长度（生长始期与生长末期的间隔天数），结合地面气温、降水资料，分析秦岭地区植被物候变化情况与主要气候因子的关系，揭示气候变化对该区域植被变化的影响，以期为该地区生态环境的保护和持续利用提供科学依据。

1 研究区概况

本文以陕西省境内的秦岭腹地区域为研究对象（图1），大致位于105°30′—110°05′E，32°40′—34°35′N之间，西起嘉陵江，东与伏牛山相接。秦岭主峰太白山海拔3767 m。整个山体西高东低，北仰南倾，两坡不对称，北坡陡峻，南坡较缓。受大陆性气候和季风性气候的双重影响，北方的寒流可直达北坡，而东南暖湿气流沿河谷易入南坡，使秦岭山脉南北坡在水热条件上形成明显的差异。根据研究区内29个气象站资料计算，2001—2016年年平均气温为10.7—11.9 ℃，年降水量为606.8—1046.8 mm，年平均气温和降水量均具有不显著的升高和增加趋势（P＜0.05）。秦岭自下而上分布着常绿阔叶林（仅分布在南坡）、山地落叶阔叶林、山地针阔混交林、山地针叶林以及亚高山、高山草甸等山地植被。秦岭山脉南临汉水，北临渭河，成为中国长江与黄河两大水系的分水岭。同时也是重要的水源涵养地，发育着众多的河流。

2 数据与方法

2.1 数据来源与处理

图1 研究区示意图Fig. 1 Sketch map of the research area

物候数据来源于美国NASA的MODIS地覆盖动态产品MCD12Q2（Collection 6），时段为2001—2016年，空间分辨率为 500 m。下载地址为：https://lpdaac.usgs.gov/。MCD12Q2以 MODIS EVI为数据源，先对EVI时间序列数据进行预处理，消减云、气溶胶、雪和观测角度等影响，然后用滑动窗口（连续5个时相EVI值）来判断持续升高和降低区间，当所在区间的极大值和振幅满足给定阈值条件后，判断该升高和降低区间为一个生长周期过程。对于每一个生长周期，采用分段Logistic函数拟合，并利用其曲率值变化的极值点，确定生长始期、EVI持续增加的中点、成熟期、峰值、末期、EVI持续降低中点和生长末期。一年当中最多记录两个生长周期（Josh et al.，2019）。在分析时提取了2001—2016年逐年生长始期和末期数据集，进行拼接、投影转换、裁剪，并计算了生长期长度。

MCD12Q2产品已在全球范围用来研究植被物候变化，说明该产品具有一定的适用性。Gangly et al.（2010）通过与北美地区两个森林站点的地面观测数据对比，证明MCD12Q2物候产品能监测植被的展叶和落叶过程。Peng et al.（2017）利用美国国家物候网络和Ameriflux观测数据对春季物候产品进行比较和评价，认为利用 MCD12Q2适合提取2001年以来的近期植被物候时空变化特征。王聪等（2017）利用黑河流域地面物候观测资料对遥感物候产品进行验证，结果表明MCD12Q2物候产品数据与地面观测数据相关性很高（R2均高于 0.88，P＜0.001）。张仁平等（2018）研究证明 MCD12Q2物候产品基本可以反映新疆草地的生长始期。玛地尼亚提等（2018）利用MCD12Q2（Collection 5）分析了新疆博斯腾湖流域植被物候时空变化。

数字高程数据采用 ASTER GDEM。ASTER GDEM是由美国国家航空航天局（NASA）与日本经济产业省（METI）联合研制并免费面向公众分发该数据产品，基于“先进星载热发射和反辐射计（ASTER）”数据计算生成，是目前唯一覆盖全球陆地表面的高分辨率高程影像数据（空间分辨率为30 m），2015年1月6日正式发布V2产品。本文数据来源于中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站（http://www.gscloud.cn）。经对高程数据进了投影转换、重采样等处理，最后形成空间分辨率500 m的高程数据。

气象资料来源于陕西省气象信息中心。气温、降水资料栅格化分别采用“回归+残差IDW（Inverse Distance Weighting）”、OK（Ordinary Kriging）法（石志华等，2015），在地理信息系统ARCGIS、统计分析软件DPS的支持下分别对陕西省2001—2016年逐年月平均气温和降水进行了栅格化处理，生成500 m×500 m的栅格数据，与陕西省界叠加裁剪得到陕西省月平均气温和降水量分布图。

2.2 研究方法

本文的变化趋势分析和相关分析是在 ERDAS IMAGINE遥感图像处理系统的支持下，进行空间建模运算得到结果，然后在ARCGIS地理信息系统中进行图像制作。

2.2.1 变化趋势分析

为定量化描述植被物候期的变化趋势，采用一元线性回归分析法逐像元计算 2001—2016年生长始期、末期、生长期长度的趋势斜率S，公式为：

式中，i为年序号，n=16，PP为物候期参数。S代表 16年来植被物候参数的变化趋势和强度，S＞0代表该像元16年间物候期推迟（生长期长度延长），反之则表示提前（生长期长度缩短）。显著性趋势检验采用相关系数的统计检验方法进行，以P＜0.05和 P＜0.01为显著相关和极显著相关的判别标准。根据检验结果将变化趋势分为6个等级：物候期极显著推迟或生长期长度极显著延长（P＜0.01，S＞0），物候期显著推迟或生长期长度显著延长（0.01＜P＜0.05，S＞0），物候期不显著推迟或生长期长度不显著延长（P＞0.05）；物候期极显著提前或生长期长度极显著缩短（P＜0.01，S＜0）），物候期显著提前或生长期长度显著缩短（0.01＜P＜0.05，S＜0），物候期不显著提前或生长期长度不显著缩短（P＞0.05，S＜0）。

2.2.2 相关分析

基于象元的植被物候参数与影响因子的相关系数计算公式为：

式中，PPi为第i年的物候参数；TPi为第i年的气候因子；分别为变量物候参数、气候因子的均值；r为物候参数与影响因子的相关系数。根据相关系数表可知，当n=16时，r为极显著正相关、显著正相关的值域分别为[0.6055, 1]和[0.4821,0.6055)，r为相关不显著的值域在（-0.4821,0.4821）之间，r为显著负相关、极显著负相关的值域分别为(-0.6055, -0.4821]和[-1, -0.6055]。

3 结果与分析

3.1 多年平均物候空间分布

图2 2001—2016年秦岭平均植被生长始期空间分布Fig. 2 Spatial distribution of average greenup in 2001-2016

从 2001—2016年植被物候始期空间分布（图2）可以看出，秦岭地区植被物候始期表现出由南向北逐渐延迟的纬向分布特征。在汉江两岸低海拔浅山丘陵区物候始期比较早，早于第80天（3月下旬以后）。城固县、石泉县、汉阴县、安康市北部，勉县、洋县中部，留坝县、丹凤县南部，略阳县、旬阳县、商南县物候始期在第80—90天之间（3月下旬）。勉县、洋县北部，凤县、佛坪县、宁陕县、柞水县、商州区、洛南县大部物候始期出现在第90—110天之间（4月上、中旬）。秦岭脊线附近高海拔区域的物候始期较晚，晚于第110天（4月中旬以后）。生长季始期均值主要集中分布在第80—110天（3月下旬至4月中旬），占研究区总面积的81.9%；始期均值小于80 d和大于110 d的区域面积分别占研究区总面积的10.9%和6.5%。

秦岭地区物候始期与末期分布情况大体相反，即呈现出始期越早的地区末期越推迟；但汉中盆地和安康月河川道与之相反，呈现出始期早、末期也早，这是由于这两个区域主要土地利用是农田，越冬未停止生长，但农作物成熟期早于周围森林、草地枯黄期。生长季末期均值主要集中分布在第300—320天（10月下旬至11月中旬），占研究区总面积的70.1%；末期均值小于300 d（早于10月下旬）和大于320 d（晚于11月中旬）的区域面积分别占研究区总面积的12.3%和16.9%（图3）。

秦岭地区植被生长期长度也呈现由南向北逐渐缩短的纬向分布规律。汉江谷地大于240 d，秦岭脊线附近小于200 d，其他区域介于200—240 d之间（图 4）。占研究区 72.1%的区域生长期长度在200—240 d之间，生长期长度＜200 d和＞240 d的区域分别占15.6%和12.3%。

3.2 物候年际变化

3.2.1 物候年际变化的总特征

图5所示为计算得到的2001—2016年秦岭地区植被物候年际变化特征。可以看出，生长始期具有提前趋势，但未通过显著性检验（P＞0.05），平均提早0.61 d·(10 a)-1；16年平均始期为第93天（4月3日），变化范围为第88—100天（3月28日—4月10日）。图6反映了生长末期年际变化趋势，表明生长末期具有显著的推迟趋势（P＜0.05），平均推迟3.1 d·(10 a)-1；16年平均末期为第 311天（4月 3日），变化范围为第305—315天（11月1—11日）。研究期内生长期长度年际变化具有延长趋势，平均延长3.7 d·(10 a)-1；16年平均生长期长度为217 d，波动范围为207—223 d（图7）。

图3 2001—2016年秦岭平均植被生长末期空间分布Fig. 3 Spatial distribution of average dormancy in 2001-2016

图4 2001—2016年秦岭平均植被生长期长度空间分布Fig. 4 Spatial distribution of average growth length in 2001-2016

图5 生长始期年际变化Fig. 5 Interannual variation of greenup

图6 生长末期年际变化Fig. 6 Interannual variation of dormancy

3.2.2 物候年际变化趋势空间分布

秦岭地区大部生长始期变化不显著，显著提早的区域主要分布在海拔较高的秦岭西北部的凤县、留坝县和太白县，显著推迟的区域主要分布在海拔较低洛南县洛河流域和商州区丹江流域，汉江流域也有分布（图8）。占研究区面积62.3%的区域生长始期具有提早趋势，具有延迟趋势的区域占37.0%；显著提早、推迟（P＜0.05）的植被面积分别占4.1%和4.4%。

图7 生长期长度年际变化Fig. 7 Interannual variation of growth length

秦岭地区生长末期变化趋势与始期明显不同，提早的区域减少至 21.3%，推迟的区域增加至78.0%。显著推迟的区域占27.1%，主要分布在秦岭北部海拔较高的区域；显著提早的区域占比仍较少，仅为1.3%，显著提前的区域主要分布在农业用地较多的汉中盆地（图9）。

秦岭地区大部生长期长度变化具有延长趋势，占研究区面积的 84.1%，具有缩短趋势的区域占15.7%。显著增加的区域占21.2%，显著缩短的区域仅占1.4%；显著增加的区域主要分布在海拔较高的区域，显著缩短的区域主要分布江河谷地（图10）。

3.2.3 物候年际变化速率分布

秦岭地区大多数区域生长始期变化速率在-5—5 d·(10 a)-1之间，占全区82.3%。其中，变化速率在-5—0 d·(10 a)-1之间的区域占48.3%，主要分布在秦岭地区北部；0—5 d·(10 a)-1之间的区域占34.0%，主要分布在秦岭地区南部和东部。生长始期变化速率＜-5 d·(10 a)-1的区域占9.6%，主要分布在秦岭西北的凤县、太白县和留坝县；变化速率＞5 d·(10 a)-1的区域占7.3%，主要分布在汉江、丹江和洛河流域（图11）。

图8 生长始期年际变化趋势Fig. 8 Change trend of Greenup

图9 生长末期年际变化趋势Fig. 9 Change trend of dormancy

图10 生长期长度年际变化趋势Fig. 10 Change trend of growth length

占秦岭地区面积90.8%的区域生长末期变化速率分布在-5—10 d·(10 a)-1之间。其中，变化速率在-5—0 d·(10 a)-1的区域占14.9%，分散在整个研究区域；0—10 d·(10 a)-1的区域75.9%，分布广泛。生长末期变化速率＜-5 d·(10 a)-1占3.8%，主要分布在汉江流域勉县至西乡段；变化速率＞10 d·(10 a)-1的区域占4.7%，主要分布在秦岭东部的汉滨区、旬阳县、洛南县和商州区（图12）。

图11 生长始期变化速率（rg）Fig. 11 Change rate (rg) of greenup

图12 生长末期变化速率（rd）Fig. 12 Change rate (rd) of dormancy

秦岭地区生长期长度变化速率主要分布在-5—10 d·(10 a)-1区间，该区间占研究区面积的81.2%。其中，变化速率在-5—0 d·(10 a)-1的区域占14.6%，主要分布在秦岭地区南部和东部；0—10 d·(10 a)-1占66.6%，主要分布在秦岭地区中北部。生长期长度变化速率＜-5 d·(10 a)-1占7.6%，主要分布在汉江流域勉县至洋县段、洛河和丹江流域谷地；变化速率＞10 d·(10 a)-1的区域占11.2%，主要分布在秦岭北部中高海拔区域（图13）。

3.3 植被物候与海拔高度的关系

图13 生长期长度变化速率（rgl）Fig. 13 Change rate (rgl) of growth length

图14 生长始期与海拔高度的关系Fig. 14 Relationship between greenup and altitude

由不同海拔高度的生长始期的平均值变化图（图 14）可以看出，生长始期随着海拔高度升高而线性推迟。海拔高度在700 m上下时生长始期在第80天前后，海拔高度到达2500 m时生长始期推迟到第110天左右，海拔每升高1000 m生长始期推迟18 d。

生长末期随海拔高度的变化有所不同，在700 m以下时随海拔高度的升高生长末期迅速推迟，海拔高度超过700 m以后随海拔高度的升高生长末期呈现线性提早（图15），海拔每升高1000 m生长末期提前11 d左右。这种变化趋势的原因是，农作物大都种植在海拔700 m以下，其成熟期随海拔高度上升逐渐推迟，而在700 m以上植被类型主要为森林和草地，它们的生长末期随海拔高度的升高逐渐提前。

图15 生长末期与海拔高度的关系Fig. 15 Relationship between dormancy and altitude

不同海拔梯度，植被物候末期的变化趋势不同。海拔高度＜700 m的区域，生育期长度为230 d左右；海拔高度在700—2300 m，生育期长度随着海拔高度上升迅速缩短，由280 d缩短至180 d；海拔高度＞2300 m的区域，生育期长度为180 d左右。海拔每升高1000 m生长期长度缩短28 d左右（图16）。

3.4 物候与气候的关系

图16 生长期长度与海拔高度的关系Fig. 16 Relationship between growth length and altitude

气候因素尤其是气温和降水量是影响植物生长发育进程的重要因素。为了找到影响植被物候期的关键时段和因子，对秦岭地区 16年平均生长始期、末期和各月气温、降水量进行相关分析。结果表明，生长始期与3月气温之间具有极显著的相关关系（P＜0.01），生长末期与9月气温之间具有显著的相关关系（P＜0.05）。说明研究区影响生长始期的主要时段和因子是3月气温，3月气温每增加1 ℃生长始期提前2.1 d（图17）；影响生长末期的主要时段和因子是9月气温，9月气温每增加1 ℃生长始期推迟1.5 d（图18）。

图17 生长始期与3月温度的关系Fig. 17 Relationship between greenup and temperature in March

图18 生长末期与9月温度的关系Fig. 18 Relationship between dormancy and temperature in September

逐像元计算生长始期与3月温度的相关系数，由图19可知，占研究区95.6%的区域呈现不显著负相关，3.5%的区域呈现不显著正相关，显著负相关的区域仅占0.1%。说明秦岭地区大部分区域呈现随3月气温升高生长始期具不显著的提早趋势。

生长末期与9月温度的相关系数显著性分布与之相反，无显著正相关的区域占多数（75.9%），无显著负相关的区域占比较少（23.3%），主要分布在江河谷地（图 20）。说明秦岭地区大部分区域生长末期呈现随9月气温升高具不显著推迟的趋势。

4 讨论

夏浩铭等（2015）利用8 d合成的MOD09A1 EVI提取 2001—2010年秦岭地区森林物候，得到树木的生长始期、末期分别出现在第81—120天、第270—311天之间，生长季长度集中在150—230 d，生长始期、末期较本研究早，生长季长度较本研究短，这是因为森林所处的海拔高度较高所致。马新萍等（2015）采用10 d合成的MODIS NDVI提取2001—2010年秦岭地区植被物候参数，郭少壮等（2019）利用2000—2015年10 d合成的MODIS EVI提取秦岭太白红杉林物候参数，研究时段或研究对象有所不同，结果数值有所差异，但变化趋势与本研究相同。邓晨晖等（2017）分析了1964—2015年17种包含乔木、灌木及藤本树种的物候观测数据，结果表明，52年来秦岭地区物候始期普遍呈提前趋势，提前速率 1.2 d·(10 a)-1，物候末期普遍呈推迟趋势，推迟速率 3.5 d·(10 a)-1，物候生长期普遍延长。该研究结论与本文得出的植被物候变化趋势和变化值基本相同，也就是说观测数据证明MCD12Q2物候产品在秦岭地区的适用性，而且遥感物候产品在描述物候变化的地理分布上更具有优势。

目前的MCD12Q2物候产品与其他遥感物候监测方法类似，也面临着数据分辨率不高、噪声干扰因素较多、物候期识别方法普适性较低、物候研究结果验证不充分等诸多问题（范德芹等，2016b；张晓萱等，2019），尽管存在一些限制，MCD12Q2仍然可以提供关于植被物候的有价值和空间连续的信息。未来需要从遥感数据源的质量提升及数据来源拓展、数据处理及分析、物候识别结果验证及物候预测等几个方面开展深入研究。

图19 生长始期与3月温度的相关系数空间分布Fig. 19 Spatial distribution of correlation coefficient between greenup and temperature in March

图20 生长末期与9月温度的相关系数空间分布Fig. 20 Spatial distribution of correlation coefficient between dormancy and temperature in September

植被生长始期提前、末期推迟、生长期延长普遍出现在海拔较高区域，反之则主要出现在海拔较低区域，这与气候变暖具有一定关系。海拔较高区域的植被是自然植被草地和森林，主要受气温升高的影响，会出现生长始期提前、末期推迟、生长期延长的现象，而海拔较低区域的植被主要是农作物，气候变暖会使播期推迟、成熟期提前和生育期缩短。

5 结论

本文基于 2001—2016年连续 16年的MCD12Q2数据和气候资料、利用统计分析方法对秦岭地区植被物候变化规律及对气候的响应进行了研究，得到如下结论：

（1）秦岭地区植被物候始期、末期、生长期长度大体呈现由南到北的纬向分异规律。生长季始期主要分布在第 80—110天（3月下旬至4月中旬），生长季末期均值集中分布在第 300—320天（10月下旬至11月中旬），生长期长度绝大部分在200—240 d之间。

（2）16 a间秦岭地区植被物候年际变化的总体特征呈现生长始期具有提前趋势（P＞0.05），平均提早 0.61 d·(10 a)-1；生长末期具有显著的推迟趋势（P＜0.05），平均推迟3.1 d·(10 a)-1；生长期长度年际变化具有延长趋势（P＞0.05），平均延长 3.7 d·(10 a)-1。

（3）秦岭地区植被物候期与海拔关系密切。生长始期随海拔高度呈现上升线性提前，海拔每升高1000 m，生长始期推迟18 d左右。

（4）秦岭地区植被生长始期与3月气温之间具有极显著的相关关系（P＜0.01），3月气温每增加1 ℃生长始期提前2.1 d；生长末期与9月气温之间具有显著的相关关系（P＜0.05），9月气温每增加1 ℃生长始期推迟1.5 d。